匹配VVT發(fā)動機的兩用燃料汽車氣耗標(biāo)定優(yōu)化方法

吳　瓊，李衛(wèi)兵，秦小飛

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心， 安徽 合肥　230601)

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·新能源汽車與低碳運輸·

匹配VVT發(fā)動機的兩用燃料汽車氣耗標(biāo)定優(yōu)化方法

吳瓊，李衛(wèi)兵，秦小飛

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心， 安徽 合肥230601)

對匹配VVT發(fā)動機的兩用燃料汽車的燃?xì)釫CU噴氣脈寬、點火提前角和汽油ECU的進(jìn)氣VVT進(jìn)行重新標(biāo)定優(yōu)化，分別對標(biāo)定優(yōu)化前后狀態(tài)下使用天然氣燃料進(jìn)行動力性與經(jīng)濟性的試驗對比分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后最高車速增加了3 km/h，0～100 km/h額定轉(zhuǎn)速換擋時間減少1.6 s，最高擋80～120 km/h加速時間減少6 s，試驗工況下等速氣耗都有所減少。NEDC循環(huán)的氣耗降低0.23 kg/100 km，使用汽油ECU和天然氣ECU同步優(yōu)化方案后燃燒天然氣的動力性與經(jīng)濟性都有提升，并且在汽油ECU更改VVT角度配合天然氣ECU標(biāo)定優(yōu)化后燃燒天然氣的節(jié)氣效果最優(yōu)。

兩用燃料汽車；標(biāo)定優(yōu)化；動力學(xué)；經(jīng)濟性； NEDC循環(huán)

隨著汽車的普及，汽車尾氣排放引起的污染問題也越來越受到重視。汽車相關(guān)先進(jìn)技術(shù)與清潔燃料的應(yīng)用可為降低汽車排放引起的污染以及提高經(jīng)濟性提供一些可行的方法。天然氣是一種清潔能源，作為汽車燃料使用能很好地降低污染，且其成本要低于傳統(tǒng)汽油燃料；所以，在節(jié)能減排的技術(shù)路線中，汽油-天然氣兩用燃料發(fā)動機是一種重要的技術(shù)路線，現(xiàn)在城市中的出租車基本都是采用這種深受歡迎的技術(shù)路線。

目前，兩用燃料車輛基本都是燃油車輛進(jìn)行改裝，通過增加一套燃?xì)怆娍叵到y(tǒng)實現(xiàn)兩種燃料之間自由的切換；但是這種簡單的改裝并不能完全發(fā)揮天然氣發(fā)動機的性能，如果標(biāo)定匹配不好會導(dǎo)致使用燃?xì)夂?，整車的氣耗增加而達(dá)不到預(yù)期效果。為此，本文作者專門研究配置進(jìn)氣VVT(variable valve timing，可變氣門正時)發(fā)動機改裝成天然氣燃料后，如何通過標(biāo)定優(yōu)化降低氣耗，提高經(jīng)濟性。

1　汽油/天然氣兩用燃料發(fā)動機電控系統(tǒng)概述

圖1為主從式汽油/天然氣兩用燃料控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，燃?xì)釫CU以原車汽油ECU的噴油信號為基礎(chǔ)輸入信號，經(jīng)發(fā)動機水溫、燃?xì)鉁囟?、燃?xì)鈮毫Φ葏?shù)校正后，確定該時刻的噴氣時間，通過高精度燃?xì)鈬娮煜虬l(fā)動機進(jìn)氣歧管噴射天然氣，并通過氧傳感器信號實現(xiàn)閉環(huán)控制。該雙燃料控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計上綜合考慮了燃?xì)鈬娚鋲毫?、燃?xì)鉁囟?、噴嘴開啟及關(guān)閉時間等因素，以實現(xiàn)噴油時間到噴氣時間的精確轉(zhuǎn)換[1]。

天然氣與汽油的燃燒特性存在差異，但是燃油ECU在開發(fā)過程中并沒有考慮到天然氣燃燒特性的差異；因此，需要重新標(biāo)定燃燒天然氣時的點火與噴油等參數(shù)以使天然氣燃燒更加合理。另外，對于匹配進(jìn)氣VVT汽油發(fā)動機來說，2種燃料最佳的VVT開啟提前角是不一樣的。

綜上，只有對點火角、VVT開啟提前角和天然氣噴射量等方面重新進(jìn)行匹配才能獲得較好的燃?xì)饨?jīng)濟性與動力性。本研究主要以某車型改裝為圖1所示燃?xì)怆娍叵到y(tǒng)后，從燃油ECU和燃?xì)釫CU 2個方面進(jìn)行匹配與標(biāo)定，提高整車的燃?xì)饨?jīng)濟性。

圖1　一種主從式汽油/天然氣兩用燃料電控系統(tǒng)

2　2種燃料的差異與對策

2.12種燃料特性差異

汽油-天然氣兩用燃料發(fā)動機所使用兩種燃料的主要特性如表1所示。影響ECU匹配標(biāo)定的主要因素包括理論空燃比、辛烷值和火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｆ渲?，理論空燃比主要是影響燃?xì)鈬娚涿}寬的標(biāo)定，辛烷值和火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕绊扅c火提前角和VVT相位[1-2]。

表1　汽油-天然氣兩種燃料主要燃燒特性對比

表1(續(xù))

2.2燃料特性差異的控制對策

天然氣理論空燃比大于汽油理論空燃比，所以燃?xì)釫CU將噴油脈寬轉(zhuǎn)換為噴氣脈寬時，需要重新精確標(biāo)定油-氣轉(zhuǎn)換系數(shù)，確保燃燒天然氣時在理論空燃比附近，同時需要兼顧整車動力性與經(jīng)濟性。

由于天然氣完全是以氣體形式與空氣形成混合氣，而汽油是以液態(tài)形式與空氣進(jìn)行混合會有非常嚴(yán)重的油膜效應(yīng)，如圖2所示。噴油器噴射出來的燃油有一部分殘留在進(jìn)氣歧管壁上，沒有與空氣混合，同時上一個循環(huán)殘留的油膜也有一部分揮發(fā)在空氣中。這一復(fù)雜的油膜效應(yīng)在汽油ECU標(biāo)定開發(fā)過程中充分考慮與標(biāo)定。

但是，燃燒天然氣后由于沒有油膜效應(yīng)，燃?xì)鈬娚渫瓿珊缶涂梢孕纬苫旌蠚鈁3-4]。油-氣轉(zhuǎn)換精確標(biāo)定時需要增加延遲噴射，減少油膜效應(yīng)對混合形成的影響，在減速斷油后由于沒有殘留在歧管壁上的油膜，也需要對天然氣進(jìn)行補償。

圖2　汽油混合氣的油膜特性

一方面，天然氣的辛烷值達(dá)到130，遠(yuǎn)大于汽油的辛烷值93，所以改燒天然氣后發(fā)動機不會發(fā)生爆震；另一方面，由于天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?3.8 m/s，小于汽油的火焰?zhèn)鞑ニ俣?9～47 m/s, 會導(dǎo)致發(fā)動機排氣溫度變高，發(fā)動機熱負(fù)荷變大：所以，改燒天然氣后混合氣點火提前角不能使用汽油ECU混合氣的點火角標(biāo)定數(shù)據(jù)，為了充分發(fā)揮天然氣的性能，需要對燃燒天然氣的點火角進(jìn)行全面優(yōu)化與標(biāo)定。

由于2種燃料的特性不一樣，發(fā)動機燃燒天然氣與汽油最佳的VVT的開啟提前角不一樣，所以當(dāng)燃燒天然氣后也需要調(diào)整VVT開啟提前角；但是VVT開啟是由燃油ECU進(jìn)行控制，不能通過燃?xì)釫CU進(jìn)行修改后控制VVT執(zhí)行器。為了使燃燒汽油與天然氣都能夠取得較好的效果，需要對原來汽油ECU中VVT開啟提前角優(yōu)化匹配而不能完全按照汽油要求進(jìn)行控制。

由于天然氣的著火溫度和著火極限都要高于汽油，天然氣的點火能量要高于汽油系統(tǒng)；因此需要更換點火效能更高的火花塞，確保任何時刻都能可靠地點火成功，減少未燃燒的HC排放。

3　整車標(biāo)定優(yōu)化

為了充分發(fā)揮燃燒天然氣性能，同時考慮出租車對經(jīng)濟性的要求，整車標(biāo)定從以下幾個方面進(jìn)行控制數(shù)據(jù)優(yōu)化。

3.1油-氣轉(zhuǎn)換模型標(biāo)定優(yōu)化

由于天然氣沒有油膜效應(yīng)，燃?xì)鈬娮靽娚涑鰜淼奶烊粴庵苯优c新鮮空氣形成混合氣，沒有汽油揮發(fā)混合過程；所以相對于汽油噴射時刻需要滯后，才能夠在氣缸內(nèi)部形成均勻的混合氣。經(jīng)過整車多次匹配標(biāo)定，天然氣的噴射時刻相對于汽油噴射時刻延遲時間最終確定為4 000 μs。

同樣，由于天然氣沒有油膜效應(yīng)，當(dāng)發(fā)動機退出減速斷氣狀態(tài)后恢復(fù)供氣狀態(tài)，需要對油氣轉(zhuǎn)換系數(shù)增加補償汽油模型里面的歧管壁上揮發(fā)汽油蒸汽，通過標(biāo)定試驗，最終確定補償100 μs的噴氣脈寬后恢復(fù)供油的駕駛性較好。

根據(jù)發(fā)動機負(fù)荷(進(jìn)氣歧管壓力)和發(fā)動機轉(zhuǎn)速確定發(fā)動機全工況油-氣模型轉(zhuǎn)化系數(shù)，該系數(shù)主要標(biāo)定原則如下：1)小負(fù)荷以經(jīng)濟性為主，燃?xì)饬肯鄬^小，也是出租車在市區(qū)使用較多的工況；2)中負(fù)荷兼顧動力性與經(jīng)濟性；3)大負(fù)荷以動力性為主，噴氣量相對較大。

根據(jù)以上原則經(jīng)過實車標(biāo)定確定的參數(shù)如表2所示。

表2　天然氣噴氣量的轉(zhuǎn)化系數(shù)　%

表2(續(xù))

3.2點火提前角優(yōu)化

由于兩種燃料燃燒特性的差異，燃燒天然氣后點火提前角相對汽油需要增加，增加點火角標(biāo)定結(jié)果如表3所示。

表3　天然氣的點火提前角　(°)

3.3VVT角度優(yōu)化

燃燒天然氣時完全使用汽油的VVT控制角度不能取得較好的燃?xì)饨?jīng)濟性，綜合2種燃料特性減小整車上常用工況點的VVT開啟提前角，如表4所示。圖1中的雙燃料控制系統(tǒng)中VVT執(zhí)行器是由汽油ECU控制，優(yōu)化后的VVT開啟提前角后對燃燒汽油與天然氣都起作用。

表4　優(yōu)化后進(jìn)氣VVT開啟提前角　(°)

表4(續(xù))

4　標(biāo)定優(yōu)化后的整車性能

由于更改了汽油ECU的VVT開啟提前角，需要驗證更改前后對燃燒汽油性能的影響，如表5所示。從整車動力性與經(jīng)濟性的試驗結(jié)果看，優(yōu)化后的VVT開啟提前角后整車的動力性略有下降，最高車速由174.3 km/h降低至171.5 km/h；80～120 km/h的加速時間增加了1 s；在NEDC循環(huán)中城郊油耗增加0.1 L/100 km，綜合油耗增加了0.1 L/100 km：由此可見，優(yōu)化VVT開啟提前角后對整車動力性與經(jīng)濟性的影響較小[5-6]。

表5　更改VVT開啟提前角前后汽車性能對比

對汽油VVT開啟提前角優(yōu)化和燃?xì)釫CU的各項標(biāo)定優(yōu)化前后的試驗結(jié)果如表6所示。使用汽油ECU和天然氣ECU同步優(yōu)化方案后，燃燒天然氣的動力性與經(jīng)濟性都有提升，最高車速增加了3 km/h, 0～100 km/h額定轉(zhuǎn)速換擋時間減少1.6 s，最高擋80～120 km/h加速時間減少6 s，試驗工況下等速氣耗都有降低，NEDC循環(huán)的氣耗降低0.23 kg/100 km。

表6　各項標(biāo)定優(yōu)化前后汽車性能對比

按照市場天然氣價格4.38元/m3、天然氣密度0.717 kg/m3，對比優(yōu)化前天然氣的氣耗，只使用燃?xì)釫CU的優(yōu)化和使用汽油VVT角度優(yōu)化方案的氣耗對比如表7所示。

表7　各優(yōu)化方法氣耗對比

由以上對比結(jié)果可知，只優(yōu)化天然氣ECU的相關(guān)標(biāo)定數(shù)據(jù)節(jié)氣效果有限，只有汽油ECU更改VVT角度配合天然氣ECU標(biāo)定優(yōu)化后燃燒天然氣的節(jié)氣效果最優(yōu)。

5　結(jié)論

本文對匹配VVT發(fā)動機的兩用燃料汽車的燃?xì)釫CU噴氣脈寬、點火提前角和汽油ECU的進(jìn)氣VVT進(jìn)行重新標(biāo)定優(yōu)化，對比了試驗研究結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1)更改發(fā)動機的VVT角度后，使用汽油燃料整車的動力性和經(jīng)濟性略有下降，對整車動力性與經(jīng)濟性的影響較?。?/p>

2)經(jīng)過燃?xì)釫CU和汽油ECU標(biāo)定優(yōu)化后，使用天然氣燃料動力性與經(jīng)濟性都有提高，滿足出租車駕駛員要求；

3)只優(yōu)化然氣ECU的相關(guān)標(biāo)定數(shù)據(jù)節(jié)氣效果有限，只有在汽油ECU更改VVT角度配合天然氣ECU標(biāo)定優(yōu)化后燃燒天然氣的節(jié)氣效果最優(yōu)。

本文對匹配VVT發(fā)動機的兩用燃料汽車標(biāo)定優(yōu)化方法進(jìn)行研究，打破了以往只優(yōu)化燃?xì)釫CU方法，通過原車汽油ECU的VVT開啟角度優(yōu)化配合燃?xì)釫CU得到了非常好的方法，為后續(xù)帶進(jìn)氣長管技術(shù)、EGR技術(shù)等發(fā)動機改裝天然氣提供經(jīng)驗借鑒。

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(編校：夏書林)

Study on the Optimization Method of the Gas Consumption for the Dual Fuel Vehicle Used the VVT Engine

WU Qiong, LI Weibing, QIN Xiaofei

(AnhuiJiangHuaiAutomobileCO.,LTD.TechnicalCenter,Hefei230601China)

In this paper, items of the dual-fuel vehicle with the VVT engine was re-calibrated and optimized, such as the jet pulse of the natural gas ECU, ignition timing and the intake VVT of the gasoline ECU. Experiments were carried out to test the calibration and optimization method. The results show that the method can increase the maximum speed 3km / h, and 0-100km / h gear shift time can be reduced 1.6s, and the 80-120km / h accelerating time can be reduced 6s, and test conditions constant gas consumption can be reduced. The gas consumption can be reduced by 0.23 kg / 100km in the NEDC cycle, and the natural dynamics and economy can be improved together. The method, together with intake VVT, can make the combustion gas saving reach the maximum.

the dual fuel vehicle； optimize calibration；fuel economy；dynamics；NEDC cycle

2015-11-17

吳瓊(1983—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為汽車發(fā)動機控制及標(biāo)定技術(shù)。

U464

A

1673-159X(2016)04-00102-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.021